Оптическое покрытие на основе углеродных нанотрубок для оптического приборостроения и наноэлектроники

Изобретение относится к области оптического приборостроения, космической, лазерной оптики, квантовой и оптической наноэлектроники, а также полезно для дисплейной и телевизионной техники, где требуется высокое пропускание оптических покрытий и элементов в видимом и ближнем ИК-диапазоне спектра. Оптическое покрытие представляет собой тонкослойное (100 нм и менее) покрытие углеродных нанотрубок с величиной неоднородностей на уровне нанометров. Для нанесения углеродных нанотрубок на подложку используется щелевой СО₂-лазер с управляемым по мощности излучения лазерным лучом. Используются подложки из стекла, кварца, CaF₂, BaF₂, Si, Ge, GaAs, органического стекла. Улучшенная однородность покрытия, повышенное светопропускание (вплоть до 87-90%) в широкой области спектра позволили сократить число слоев покрытия до одного, уменьшить размер неоднородностей до наноразмеров, расширить спектральный диапазон с УФ-области до видимого и ИК-диапазона. Технический результат - улучшение светопропускания в видимой и ИК-области спектра, повышение механической и лазерной прочности оптических покрытий. 2 ил.

 

Настоящее изобретение относится к области оптического приборостроения, космической, лазерной оптики, квантовой и оптической наноэлектроники, а также полезно для дисплейной и телевизионной техники, где требуется высокое пропускание оптических покрытий и элементов в видимом и ближнем ИК-диапазоне спектра. Оптическое покрытие представляет собой тонкослойное (100 нм и менее) покрытие на основе углеродных нанотрубок. Для нанесения углеродных нанотрубок на подложку используется щелевой CO₂-лазер с управляемым по мощности излучения лазерным лучом. Оптический элемент состоит из покрытия из углеродных нанотрубок и подложки. При функционировании данного оптического элемента в видимой области спектра используются подложки на основе стекла или кварца. Для продвижения области работы оптического элемента в ближний и средний ИК-диапазоны спектра используются подложки из CaF₂, BaF₂, Si, Ge, GaAs и др.

Техническим результатом изобретения является улучшение светопропускания в видимой и ИК-области спектра, повышение механической и лазерной прочности оптических покрытий и оптических элементов наноэлектроники.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к конструированию оптических элементов объективов и телескопов, где требуется высокое пропускание оптических элементов и их высокая износостойкость; к конструкции электро- и светоуправляемых жидкокристаллических пространственно-временных модуляторов света (ЖК-ПВМС), где необходима высокая лазерная прочность и высокий контраст при записи-считывании оптической информации, преобразовании сигнала из одного частотного диапазона в другой, при переключении потоков излучения без существенных потерь, при ограничении излучения; относится к конструкции линз, призм, оправ, световодов, голограммных элементов, др., где требуется высокая адгезия защитного или светопропускающего покрытия к поверхности подложки для предотвращения царапин, микрощелей, других дефектов, существенно изменяющих процессы прохождения светового излучения через указанные оптические элементы.

Оптическое покрытие и оптический элемент являются необходимыми функциональными устройствами телекоммуникационных, дисплейных, лазерных, медицинских и других композиционных оптических систем, управляющих световым излучением с учетом процессов отражения, поглощения, интерференции, преломления световых пучков в реальном масштабе времени [1-3]. Характеристики оптического покрытия и оптического элемента определяются спектральными параметрами, геометрическими размерами, рельефом поверхности, коэффициентами преломления, лазерной прочностью, др. аспектами, а также зависят от согласованного выбора типа подложки, на которую наносится покрытие.

Известна конструкция тонкопленочного покрытия, выбранная в качестве аналога [4], где покрытие с минимальным поглощением и рассеянием излучения создавалось за счет получения ненапряженных слоев покрытия с аморфной или монокристаллической структурой. Такое покрытие образовывалось при использовании многократного осаждения монослоев на подложку, нагретую до температуры, не превышающей температуру разрушения и изменения материала подложки и предыдущих слоев покрытия. Покрытие создавалось путем конденсации паров пленкообразующего материала и осаждением их на подложку. В эксперименте авторов публикации [4] подложка нагревалась до температуры 50-100°С, определяемой верхней границей конденсации осаждаемого материала, максимальная температура составляла 150-200°С, что определялось нижней границей конденсации.

Недостатком известной конструкции покрытия является недостаточная однородность рельефа поверхности покрытия и наличие рассеянного излучения, что затрудняет применение этого покрытия в системах с высоким светопропусканием в видимой и ближней ИК-области спектра.

Известна конструкция тонкопленочного покрытия и оптического элемента, выбранная в качестве прототипа [5], где оптический элемент состоит из выступов и углублений, причем выступы имеют неправильную форму, выпуклости и выемки которых образуют световые ловушки, а на полученной таким образом крупномасштабной поверхности сформирован второй слой из мелких неоднородностей. Характерный размер выступов и выемок крупномасштабных неоднородностей в 10-100 раз превышает длину волны излучения линии Лайман-альфа, а мелкомасштабных неоднородностей - в среднем равен этой длине (менее 200 нм).

Недостатком данной конструкции является недостаточный спектральный диапазон работы оптического элемента (синий и УФ-диапазон спектра), а также использование двухслойного покрытия, что снижает однородность покрытия, увеличивает светорассеяние и снижает светопропускание.

Техническим результатом изобретения является увеличение светопропускания оптического покрытия и оптического элемента в видимой и ИК-области спектра, а также повышение однородности, механической и лазерной прочности.

Указанный результат достигается тем, что в известном устройстве, конструкция которого включает 2 слоя, причем первый слой состоит из выступов и углублений размером десятки микронов, имеющих неправильную форму, а второй слой сформирован из мелких неоднородностей размером сотни нанометров, используют только один слой покрытия, сформированного из углеродных нанотрубок правильной формы с размером 6-20 нм в диаметре и 20-150 нм по длине нанотрубок. Замена двухслойного покрытия с неоднородностями микронного размера на покрытие на основе углеродных нанотрубок с неоднородностями нанометровых размеров создает более однородный поверхностный рельеф оптического элемента, существенно расширяет спектральный диапазон работы покрытия и оптического элемента, повышает его механическую и лазерную прочность. При работе предлагаемой конструкции оптического покрытия и оптического элемента предполагается использовать спектральную область УФ, видимого и ближнего ИК-диапазона, а для продвижения в средний и дальний ИК-диапазон - использовать нанесение покрытия на подложки из Si, Ge, GaAs и других материалов ИК-области.

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое покрытие и оптический элемент отличаются тем, что для повышения однородности и расширения спектральной области функционирования наносимого слоя используется только один слой с другим размером неоднородностей, а именно используется покрытие на основе углеродных нанотрубок с размером неоднородностей на уровне нанометров и со спектральными характеристиками, позволяющими функционировать оптическому элементу в более широкой области спектра. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлены фотография рельефа поверхности заявляемого покрытия (фиг.1) и оптический спектр работы оптического элемента на его основе (фиг.2).

Предлагаемые оптическое покрытие (рельеф поверхности представлен на фиг.1) и оптический элемент (спектр показан на фиг.2) представляют собой систему, состоящую из одного слоя толщиной ≤100 нм на основе напыляемых в вакууме углеродных нанотрубок и подложки из CaF₂, BaF₂, Si, Ge, GaAs и др.

Напыление углеродных нанотрубок проводилось в вакууме на подложки, нагретые до температуры менее 80°С при использовании лазерного осаждения материала покрытия из углеродных нанотрубок излучением лазера. Источником излучения служил квазинепрерывный щелевой СО₂-лазер с p-поляризованным излучением на длине волны 10.6 мкм, с мощностью 30 Вт.

Измерения спектральных характеристик покрытия и оптического элемента проводилось с использованием спектрометра Perkin Elmer Lambda 9 в диапазоне 180-10000 нм. Для проверки регистрации пропускания в среднем и дальнем ИК-диапазоне использовалась спектральная установка ФСМ 1201 производства технологического центра ВНИИ метрологии им. Д.И.Менделеева, Санкт-Петербург.

Контроль рельефа поверхности осуществлялся электронным микроскопом РОЛАМ Р312 производства «ЛОМО», Санкт-Петербург, а также рельеф тщательно исследовался зондовым микроскопом фирмы "NT-MDT" (Зеленоград) "Bio47-Smena" в режиме "share-force".

Использование в качестве оптического покрытия монослоя из углеродных нанотрубок, наносимых в вакууме с помощью излучения квази - непрерывного CO₂-лазера, позволило существенно увеличить однородность покрытия, снизив размер неоднородностей с микро- до наноразмеров, и существенно расширить спектральный диапазон функционирования оптического элемента, осуществив работу не только в УФ, но и в видимой и ИК-области спектра. Кроме того, напыление нанотрубок на подложки с температурой подогрева менее 80°С предполагает нанесение покрытия не только на твердотельные материалы, но и на пластические композиции, например органическое стекло и др. Улучшенная однородность покрытия и оптического элемента, повышенное светопропускание (вплоть до 87-90%) в широкой области спектра, являющееся необходимым условием применения в оптоэлектронике, телекоммуникационных системах, а также в лазерной, дисплейной, медицинской технике, позволили сократить число слоев с двух [5] до одного, расширить спектральный диапазон с УФ-области [5] до видимого и ИК-диапазона. Указанное функциональное совершенствование оптического покрытия и оптического элемента позволит расширить область применения их в специальных приборах для пространственно-временного преобразования светового излучения, его переключения или ограничения [см., например, публикации 6,7] и использования в бытовых устройствах, например при работе не только с твердотельными, но и с пластическими материалами и устройствами, где требуется дополнительное создание защитного слоя от царапин, трещин, др. дефектов, то есть должен обеспечиваться комфорт наблюдения.

Источники информации

1. Русинов М.М. Композиция оптических систем. Л.: Машиностроение, 1989.

2. Крылов Т.Н. Интерференционные покрытия. 1973.

3. Оптическая голография в 2-х томах, под редакцией Г.Колфилда, М., Мир, 1982.

4. Патент на изобретение №94041175 «Способ изготовления тонкопленочных покрытий» (вид документа: А1, страна публикации: RU, рег. № заявки: 94041175, редакция МПК: 6, основные коды МПК: G02B 001/10, имя заявителя: конструкторское бюро приборостроения, изобретатели: Лазукин В.Ф., Погорельский С.Л., Сухоруких А.В., Шипунов А.).

5. Патент на изобретение №2079860 «Оптический элемент» (вид документа: C1, страна публикации: RU, рег. № заявки: 93057999, редакция МПК: 6, основные коды МПК: G02B 001/10, имя заявителя: Молдосанов Камиль Абдикеримович, изобретатели: Молдосанов Камиль Абдикеримович, Самсонов Михаил Александрович, Ким Лилия Станиславовна).

6. N.V.Kamanina, Yu.M.Voronin, A.V.Varnaev, I.V.Bagrov and A.P.Zhevlakov "Optical properties of the fullerene-doped polyimide in the near infrared". Synthetic Metals, v.138, nos.1-2, pp.317-322 (2003).

7. H.B.Каманина "Фуллеренсодержащие диспергированные нематические жидкокристаллические структуры: динамические характеристики и процессы самоорганизации", Успехи физических наук, т.175, №4, с.445-454 (2005).

Оптическое покрытие для оптического приборостроения, космической, лазерной оптики, квантовой и оптической наноэлектроники, содержащее слой напыленных с использованием излучения квази-непрерывного CO₂-лазера углеродных нанотрубок на подложку из стекла, кварца, CaF₂, BaF₂, Si, Ge, GaAs, органического стекла, отличающееся тем, что для повышения однородности и расширения спектральной области функционирования осаждаемого покрытия используется один слой углеродных нанотрубок с размером неоднородностей на уровне нанометров и со спектральными характеристиками, позволяющими оптическому покрытию увеличивать пропускание излучения в УФ, видимой и ИК-областях спектра.